Inteligentny wentylator dla Raspberry Pi

Piątek, 01 Maj 2020

Gdy komputerek Raspberry Pi musi być stosowany w wyższej temperaturze otoczenia to zastosowanie wentylatora staje się koniecznością, jeśli zależy nam na maksymalnej wydajności tego SoC.

Podstawowe parametry:

próg załączania termostatu: 45°C,
wartość histerezy: 2°C,
praca automatyczna lub sterowana,
zabezpieczenie przed przeciążeniem wywołanym uszkodzeniem wentylatora,
sygnały kontrolne doprowadzone do złącza GPIO.

Budowa i działanie

Schemat modułu wentylatora pokazano na rysunku 1. W module zastosowano miniaturowy wentylator Sunon MF25060 o rozmiarach 25×25×6 mm.

Rysunek 1. Schemat ideowy RaspbPI_FAN

Zapewnia on wystarczającą wydajność dla schłodzenia SoC nie zajmując zbyt wiele miejsca w obudowie. W module przewidziano dwa sposoby sterowania temperaturą, pierwszy programowy z Raspberry Pi przy pomocy sygnału FAN generowanego np. na podstawie temperatury SoC, drugi sprzętowy z termostatów U1, U2 typu ADT6401 umieszczonych w dwóch różnych miejscach płytki.

Budowę wewnętrzną termostatu ADT6401 pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2. Budowa wewnętrzna ADT6401 (za notą Analog Devices)

Układ zawiera w swojej strukturze przetwornik temperatury, konwerter analogowo cyfrowy, komparator o konfigurowanym progu zadziałania i histerezie oraz klucz wyjściowy MOSFET w konfiguracji OD. Wybór progu i histerezy ADT6401 odbywa się przy pomocy wyprowadzeń S0, S1, S2, konfigurację pokazuje tabela 1. W modelu ustalono próg przełączania termostatów na 45°C z histerezą 2°C (wyprowadzenia S0, S1, S2 połączone z masą).

Tabela 1. Konfiguracja ADT6401 (za notą Analog Devices)

S2	S1	S0	Temperature Trip Point [°C]	Hysteresis °[C]
0	0	0	48	2
0	0	1	55	2
0	0	Float	65	2
0	1	0	75	2
0	1	1	85	2
0	1	Float	95	2
0	Float	0	105	2
0	Float	1	115	2
0	Float	Float	55	10
1	0	0	65	10
1	0	1	75	10
1	0	Float	85	10
1	1	0	95	10
1	1	1	105	10
1	1	Float	115	10

Wyjścia termostatów U1 i U2 połączone są w taki sposób, że załączenie wentylatora następuje niezależnie od tego, który termostat przekroczył temperaturę. Sygnał przekroczenia temperatury OVT doprowadzony jest do złącza GPIO Raspberry Pi i może zostać wykorzystany do monitorowania aktywności termostatów. Bramka U3 generuje iloczyn (zanegowany) sygnału FAN i TO sterujący załączeniem wentylatora.

W roli klucza zastosowano nietypowo przełącznik zasilania USB typu AP2553W6-7. Zadaniem U4 jest oprócz dwustanowego kluczowania pracą wentylatora, zabezpieczenie zasilania V50 przed przeciążeniem w przypadku uszkodzenia wentylatora. Próg ograniczenia prądu określa rezystor R6 podłączony do wyprowadzenia ILIM układu U4.

Ustalony prąd jest większy od prądu znamionowego wentylatora FAN, gdyż musi uwzględniać udar prądu przy rozruchu silnika jak i prąd ładowania kondensatorów C5, CE2. Układ w przypadku przeciążenia lub zwarcia ogranicza prąd wyprowadzenia OUT do wartości ok. 700 mA, a wbudowane zabezpieczenie termiczne wyłączy układ przy przekroczeniu temperatury struktury 160°C. Sygnał OVC sygnalizuje przeciążenie układu U4.

W modelu można zastosować, także układ w wykonaniu AP2553A, o identycznej funkcji lecz o zmienionym działaniu układu detekcji przeciążenia. Po wykryciu przekroczenia prądu układ wyłączy się automatycznie i ponowne załączenie nastąpi po cyklu zasilania lub zdjęciu wysterowania z wyprowadzenia EN.

Montaż i uruchomienie

Układ zmontowany jest na dwustronnej płytce drukowanej, której schemat wraz z rozmieszczeniem elementów pokazuje rysunek 3.

Rysunek 3. Rozmieszczenie elementów

Sposób montażu jest klasyczny i nie wymaga opisu. Wentylator montowany jest przy pomocy wkrętów M2 i lutowanych tulejek gwintowanych (WE 9774025423), pod łby wkrętów zastosowano podkładki poliamidowe M2.

Przed użyciem modułu z wentylatorem warto sprawdzić jego działanie za pomocą narzędzi systemowych. Sterowanie wentylatorem, sygnał FAN, GPIO 17 można sprawdzić poleceniami:

Stan termostatów OVT można sprawdzić poleceniami:

Jeżeli wszystko działa, można przejść do zastosowania modułu we własnej aplikacji.

Po zainstalowaniu modułu wentylatora w Raspberry Pi 4, po kilku minutach od włączenia komputerka ze względu na wzrost temperatury wentylator będzie co pewien czas samoczynnie załączany przez termostat, co świadczy o prawidłowym działaniu układu.